Normativa acciai

8/16/2019 Normativa acciai

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La normativa per gli acciai da costruzione e gli acciaitermomeccanici ad alta resistenza

Mauro Sommavilla, ArcelorMittal Commercial Long ItaliaBoris Donnay, ArcelorMittal Commercial Long Lussemburgo

Sommario

Con l’entrata in vigore della nuova norma europea di armonizzazione EN10025:2004 sull’impiego degli

acciai da costruzione, vi è l’intento di fare maggior chiarezza riguardo alle tipologie di prodotti laminati

reperibili sul mercato. Tra le varie novità introdotte da questa normativa, c’è ora l’obbligo di indicare nella

documentazione che accompagna il prodotto la condizione di fornitura dello stesso, anche detta “Delivery

Condition”. Ecco allora che non si può più prescindere da una conoscenza approfondita della tipologia di

acciaio da impiegarsi nell’ambito delle costruzioni a seconda delle particolari condizioni al contorno. Si

farà luce sulle caratteristiche degli acciai laminati a caldo e, più in particolare, sugli elementi distintividegli acciai termomeccanici di nuova generazione con illustrazione di alcuni loro possibili impieghi.

Marcatura CE e normativa europea EN10025:2004

Il D.P.R. n.246/93 che recepisce la direttiva europea 89/106/CEE, stabilisce le condizioni di immissione

sul mercato dei prodotti da costruzione che debbano, tra gli altri, soddisfare a requisiti di resistenza

meccanica e stabilità. A tal fine, si presume che i prodotti riportanti la Marcatura CE siano idonei all’impiego

previsto. Possono essere muniti di Marcatura CE i prodotti conformi alle norme nazionali che recepiscono

norme europee armonizzate. Secondo il D.M. 14/09/2005 gli acciai di uso generale laminati a caldo devono

appartenere ad uno dei tipi previsti dalla nuova norma europea EN10025:2004 la quale, a sua volta, stabilisce

anche i criteri di applicazione della Marcatura CE.

Figura1: Profilato a sezione aperta in fase finale di laminazione


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A partire dalla data del primo settembre 2006 dunque, gli acciai di uso generale laminati a caldo, in

profilati, barre, larghi piatti e lamiere devono appartenere ad uno dei tipi previsti nella norma EN10025:2004

- 1÷6 e devono essere in possesso di attestato di qualificazione. Inoltre, la Marcatura CE (Conformité

Européenne) è l’unico marchio che indica la conformità dei prodotti alle direttive EN basate sul nuovo

approccio di armonizzazione e sostituisce ogni altro marchio di conformità contemplato nelle norme

nazionali degli stati membri della Comunità Europea prima della avvenuta armonizzazione ed avente le

stesse finalità della Marcatura CE.

Figura2: Date di applicabilità della nuova norma europea 10025:2004

Da sottolineare il fatto che la Marcatura CE simbolizza la conformità del prodotto in questione ai requisitielencati nelle direttive riconducibili alla modalità di applicazione del marchio stesso. E’ dunque marchio di

conformità (e non qualità) su alcuni requisiti essenziali d’utilizzo del prodotto. La Marcatura CE non si

identifica con un particolare processo di marchiatura e dunque, per questa tipologia di prodotti, non deve

necessariamente essere apposto sul prodotto stesso ma è sufficiente la sua indicazione sulla documentazione

di accompagnamento (certificati di controllo regolamentati dalla norma EN10204:2004). Le nuove

normative europee EN di armonizzazione introducono per i prodotti in acciaio laminati a caldo altre novità

tra le quali, oltre alla semplificazione del quadro normativo, il raggruppamento delle classi di acciaio,

l’uniformità nella loro denominazione e l’aggiunta di informazioni regolamentate nella documentazione

fornita alla clientela (condizioni di fornitura, caratteristiche chimiche e d’utilizzo del prodotto, ecc.). Nasce

proprio dall’introduzione di questo maggior numero di informazioni la necessità da parte dei progettisti (e

non solo) di conoscere in maggior dettaglio le peculiarità del prodotto da impiegarsi nel campo delle

costruzioni. Non casualmente, nei certificati di ispezione che devono accompagnare il prodotto vi èoggigiorno l’obbligo di indicare la condizione di fornitura, in inglese “Delivery Condition”: +AR (As

Rolled), +N (Normalised Steel) o +M (Thermomechanical Steel).

Figura3: Schematizzazione dei processi di laminazione con fornitura +AR, +N, +M

Gli acciai termomeccanici ad alta resistenza

Molto forte è stato lo sviluppo avutosi dal dopoguerra ai nostri giorni nel campo metallurgico se si pensa

che, prima degli anni ’50, il massimo grado di snervamento raggiungibile per i prodotti lunghi in acciaio

laminati a caldo erano i 320 MPa (che oltretutto avevano scarsa attitudine alla saldatura e bassi valori diresilienza e duttilità). Lo sviluppo dei prodotti nel corso dei decenni è avvenuto non solo grazie ad una

maggiore conoscenza delle interazioni chimiche tra gli elementi costituenti la lega acciaio ma anche grazie

alla possibilità di perfezionare i processi di laminazione con l’impiego di maggiori potenze meccaniche


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(possibilità di imprimere al materiale grandi deformazioni a più basse temperature) oppure accelerando le

transizioni di fase della lega con processi “ad hoc” di tempra e rinvenimento. Infatti, il metodo

convenzionale di produrre acciai ad elevato limite di snervamento consiste nell’aggiungere elementi chimici

leganti (“Alloy Elements”) all’acciaio laminando a temperature controllate. Peculiarità degli acciai

termomeccanici è invece quella di ottenere elevati limiti di snervamento limitando al massimo il contenuto di

leganti chimici che sì aiutano a rafforzare il grano della lega, ma che pure ne possono peggiorare le

caratteristiche di lavorabilità e stabilità. Questa tecnica di laminazione termo-meccanica (indicata con la sigla

TM oppure con +M) è tuttavia limitata dalla potenza meccanica del sito di produzione, dato che tale processo

richiede elevati gradi di deformazione a relativamente basse temperature, e dalla impossibilità di ridurre

significativamente il valore del Carbon Equivalent (CEV) dell’acciaio, parametro che influisce direttamente

sulle proprietà di lavorabilità del materiale. Questa tipologia di acciaio è regolamentata nelle sezioni 2 (per

acciai non legati) e 4 (per acciai di nuova generazione a grano fine saldabili) della nuova normativa

EN10025:2004.

Figura4: Schematizzazione dell’intero processo di laminazione a colata continua

Gli acciai termomeccanici, alla pari delle altre qualità dei profili strutturali lunghi ArcelorMittal, sono

prodotti da materiale di riclico grazie all’uso delle fornaci ad arco elettrico (“Electric Arc Furnaces”, EAF). Nei confronti con il convenzionale metodo di produzione integrato degli acciai per via di altiforni

(“Integrated Blast Furnace Route”), il percorso di produzione EAF ha permesso una forte riduzione nel

consumo energetico e nella emissione di particelle e gas.

Emissione diparticelle

Riduzione del 99%

Emissioni di CO2 Riduzione del 78%

Generazione di rifiuti Riduzione del >70%

Consumo di acqua Riduzione del >50%

Consumo di energia Riduzione del 56%

Tabella1: Confronto tra il processo di laminazione a colata continua ed il processo integrato in termini di emissioni di particelle nell’ambiente e risparmio energetico

Il significativo sviluppo tecnologico dei processi di laminazione ha portato alla reperibilità sul mercato di

una gamma eccellente di prodotti laminati a caldo in grado di soddisfare la maggior parte degli impieghi

pensabili nelle costruzioni civili, industriali e nei ponti di piccola-media lunghezza. Profili ad ali larghe e

parallele, con spessori incrementati, o ancora con anime slanciate forniscono appropriati valori dei parametri

geometrico-meccanici per le sezioni trasversali dei profilati, senza che la qualità ne venga compromessa.


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Figura5: Gamma dei profili laminati a sezione aperta reperibili sul mercato(caratteristiche geometriche delle sezioni trasversali)

Dunque, se da un lato si sono migliorate le caratteristiche geometriche dei profili con l’introduzione, ad

esempio, delle gamme di profilati IPE ed UPE ad integrare le meno recenti IPN e UPN, dall’altro lato la

possibilità di sfruttare nuove metodologie produttive per l’affinamento della struttura reticolare della lega Fe-

C ha permesso il raggiungimento di elevati limiti di snervamento per l’utilizzazione di questi profilati nei

campi più disparati dell’edilizia. Dalla necessità di alleggerire le strutture segue la possibilità di impiegare gli

acciai alto-resistenziali in qualità S460 nelle travature orizzontali delle strutture composte acciaio-

calcestruzzo oppure negli elementi verticali soggetti a forte grado di compressione per le quali è importante

minimizzare gli ingombri e ridurre i problemi di instabilità sulla lunghezza degli stessi. Ad esempio, grazie a

sforzi residui contenuti rispetto alla soglia di snervamento, il comportamento all’instabilità della qualità S460

secondo prescrizioni contenute negli Eurocodici è perfezionato e curve di instabilità più favorevoli (a0)

possono essere impiegate.

Figura6: Curve di instabilità migliorata per gli acciai in qualità S460 e sezioni aperte ad I

La qualità di acciaio S460 è contemplata non solo dalle nuove Norme Tecniche delle Costruzioni 2008 e

dagli Eurocodici 3 e 4 ma pure dalla recente normativa EN10025:2004. Oltre a permettere lo sfruttamento di

un più elevato limite di snervamento, un elemento in acciaio S460 è all’incirca il 20% più leggero di

un’equivalente sezione in S355 (Fe510 nella vecchia denominazione, ormai desueta), a fronte di extra costo

del materiale solo di circa il 10%. Il risparmio è ancora maggiore nel caso in cui l’acciaio S460 viene usato

al posto dell’acciaio S235 (Fe360 nella vecchia denominazione).


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Figura7: Confronto tra diverse classi di acciaio (e relativo peso delle sezioni ad I prescelte) nell’utilizzo in strutture

composte acciaio-calcestruzzo per solai

Anche quando usata come colonne negli edifici, travature alte e/o reticolari oppure come elementiin tensione, la nuova generazione di profilati alto-resistenziali garantisce dunque risparmisostanziali in termini di:

• Peso e costo del materiale strutturale,• Costo di fabbricazione,

• Costo di trasporto e montaggio,

• Costo di realizzazione delle opere di fondazione.

Figura8: Studio comparativo per una trave di ponte stradale con luce pari a 17m

L’ulteriore evoluzione degli acciai Histar®

Negli ultimi anni, una nuova qualità di acciai denominati QST (“Quenching and Self Tempering” – tempra

ed auto rinvenimento) sono divenuti acciai strutturali convenzionali conosciuti sul mercato come qualità

HISTAR® (High-Strength-ArcelorMittal) e sono contemplati da normative europee e nazionali come

EN10113:1993, ASTM A913-01 e DIN 18800-7:2002, a breve saranno contemplati anche dalla nuova norma

EN10025:2004 che ne certificherà a pieno il loro utilizzo tramite la Marcatura CE. Il processo QST aumenta

considerevolmente il limite di snervamento e la resilienza dell’acciaio anche su spessori importanti. Visti i

minori tenori di Carbon Equivalent, quando comparati con le qualità convenzionali degli acciai strutturali, la

saldabilità e la duttilità dell’acciaio di questa qualità sono significativamente incrementate. La possibilità di

combinare un elevato limite di snervamento con ottime proprietà di saldabilità, oltre ad una elevata duttilità e

buone proprietà in spessore (“Through-Thickness Properties”) ha fatto di questa particolare tipologia di

profili QST un immediato successo in applicazioni specifiche come le costruzioni con ampie luci e gli edifici

multipiano a grande altezza con colonne fortemente caricate.

Figura8: Esempio di utilizzo di colonne HISTAR® in edifici multipiano

Steel grade S235 S355 S460 S460

Section HE 1000 M HE 700 M HE 800 A HE 700 B

Construction depth (m) 1,38 1,09 1,17 1,08

Steel weight +16% reference -25% -20%

Material cost (beams) +7% reference -21% -17%


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Il processo di tempra ed auto-rinvenimento QST installato nel laminatoio ArcelorMittal di Differdange,

sviluppato in collaborazione con il Centro di Ricerca Metallurgica di Liegi, è operativo da 15 anni. Il

processo QST utilizza come principio vapore acqueo ed il calore proveniente dal processo di laminazione.

Dopo l’ultimo passaggio di laminazione termomeccanica, un intenso raffreddamento ad acqua è applicato

all’intera superficie della sezione. Il raffreddamento è interrotto prima che il corpo interno ne venga affetto,

dunque gli strati superficiali sono temprati dal flusso termico in uscita. All’uscita dei rulli di rifinitura ed

all’entrata del blocco di raffreddamento, la temperatura di laminazione dell’elemento è tipicamente di 850°C.

Dopo la tempra della superficie, l’auto-rinvenimento avviene a 600°C. Il processo industriale è controllato al

computer.

Figura9: Illustrazione schematica dell’innovativo processo di laminazione che include la fase di “Quenching and Self-

Tempering”, tempra ed auto-rinvenimento

Il processo QST opera senza fornitura esterna di energia e riduce fortemente l’uso di elementi chimici

leganti. Infatti, questo processo permette di rimettere nel ciclo produttivo “scarti” del materiale acciaio

migliorandone pure le prestazioni, di fronte al fatto che le performance strutturali di un elemento HISTAR ®

sono di gran lunga superiori alle performance di elementi standard.

Oltre ai vantaggi di carattere generale nel poter considerare le strutture in acciaio come sensibili alle

problematiche ambientali (siti di produzione e trasformazione puliti, velocità di montaggio tramite il pre-

assemblaggio degli elementi, operazioni di dismissione e smontaggio di strutture o di rimontaggio e riciclodelle stesse rese più semplici), la qualità HISTAR ® consente all’industria delle costruzioni di:

• Ridurre la propria richiesta globale di acciaio

• Ridurre l’impatto sull’ambiente dovuto ai minor pesi di materia trasportata

• Progettare elementi strutturali più snelli che occupino meno spazio all’interno degli edifici

• Progettare pregevoli nonché futuristici spazi architettonici.

Con il trascorrere degli anni, le possibilità d’impiego dei profili laminati a caldo nella qualità QST sono

evolute a tal punto che queste sezioni sono divenute ormai parte integrale di sofisticate applicazioni come

quelle americane dello ‘Strong Column-Weak Beam Concept’ (concetto della colonna-forte e trave debole)

per edifici multipiano in zona sismica o in generale quelle per elementi in strutture off-shore.

A fronte di questi aspetti, si invogliano i professionisti del settore delle costruzioni a non arrestarsi allasola scelta del grado di snervamento del materiale, benché parametro sufficiente ad aprire interessanti

tematiche di carattere tecnico-economico, ma ad approfondire altri aspetti quali l’idoneità dell’acciaio alla

saldatura ed ai trattamenti termici, all’impiego in zone sismiche e contro l’incendio, la sua durabilità nel

tempo, ecc. Ecco allora emergere altri connotati tecnici caratterizzanti il prodotto in termini di duttilità,

saldabilità, resilienza, strizione, durezza, durabilità, ecc. Per comprendere se ed in che ordine di grandezza

queste proprietà possano incidere nell’utilizzo inteso del prodotto, sicuramente ci vengono in aiuto le

normative europee a partire proprio dalla EN10025:2004 e dagli Eurocodici per le costruzioni.

QST BANKENTRY QUENCHING SELF TEMPERING850°C 600°C

FINISHING

STAND

QST BANK

Core

Surface

Time

Water

DeformationRecristallised austenite

Non- recristallised austenite Ferrite + austenite Ferrite +

pearlite

Martensite

Transformation TM-rolling QST- treatment

Te mp erat ure


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Proprietà meccaniche degli acciai Histar®

Tutte le classi di acciaio HISTAR® offrono ulteriori garanzie sui valori minimi di snervamento sulla

completa gamma di spessori dei prodotti. Un confronto tra il limite di snervamento della qualità HISTAR®

con quello della qualità TM a grano fine convenzionale in accordo con EN10113-3:1993 è mostrato in

Figura 10. Le proprietà meccaniche della qualità HISTAR® sono illustrate in Tabella 2.

Figura10: Limite di snervamento minimo garantito in funzione dello spessore del materiale per gli acciai HISTAR® aconfronto con quello degli acciai strutturali con qualità conforme alla EN10025:2004

Grade ReHmin.

Rmmin.

Elongationmin.

MPa MPa %

HISTAR 355 355 450 22

HISTAR 420 420 500 19

HISTAR 460 460 530 17

Tabella2: Caratteristiche meccaniche degli acciai HISTAR®

Resilienza

Ad oggi, è ben noto il fatto che un certo livello di resilienza degli acciai è richiesto al fine di evitare la

propagazione di fessure associate a rottura fragile nel materiale base durante il processo di saldatura oppure

durante carichi ciclici a seguito di un terremoto. In Europa, gli acciai HISTAR® 355 e HISTAR® 460 sono

tipicamente forniti con valori di resilienza garantita di 47 J a 0° C. Gli acciai QST possono pure essere forniti

con grado di resilienza migliore a temperature ancora più basse. Così, anche le sezioni ad ali larghe con

grandi spessori, “jumbo sizes” HD 400x1086 kg/m in qualità 460 MPa, possono essere fornite con valori

della resilienza con intaglio di 27J a – 50°C. Questo fatto spiega il perché le sezioni in qualità HISTAR®

sono utilizzate nelle costruzioni delle piattaforme off-shore.

Saldabilità

La Figura 11 riassume l’idoneità alla saldabilità degli acciai in relazione alla composizione chimica,

spessore del prodotto e limite di snervamento per i processi di laminazione convenzionali e il nuovo processo

QST. In Europa, le qualità HISTAR® 355 e 460 hanno un valore massimo di “Carbon Equivalent” CEV pari

allo 0.39 %. Per la tipologia HISTAR®, nel range consueto di calore trasferito durante il processo di

saldatura (10-60 kJ/cm) e con l’uso accertato di materiale di supporto a basso contenuto di idrogeno, un pre-

riscaldamento non è ritenuto necessario per strutture a temperatura superiore agli 0°C.

Comparison of yield strength b etween HISTAR and fine

grain structural steels according to EN 10025-3/4:2004

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Material thickness (mm)

M i n .

Y i e l d s t r e n g t h R e h

( M P a )

HISTAR 460

HISTAR 355

S460M/ML

S355M/ML

S460N/NL

S355N/NL

Comparison of yield strength b etween HISTAR and fine

grain structural steels according to EN 10025-3/4:2004

250

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Material thickness (mm)

M i n .

Y i e l d s t r e n g t h R e h

( M P a )

HISTAR 460

HISTAR 355

S460M/ML

S355M/ML

S460N/NL

S355N/NL


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Figura11: Proprietà di saldabilità degli acciai HISTAR® e di quelli convenzionali

L’HISTAR nelle zone sismiche

Il tipo QST grade 65 /ASTM A913 (= HISTAR® S460) è usato per ottenere lo “Strong Column – Weak

Beam Concept” (ovvero il concetto della colonna-forte e trave-debole), che risulta essere ad oggi la

soluzione più economica per progettare strutture a telaio di edifici multipiano in zone a medio/alta sismicità.

Si tratta, in breve, di adottare una qualità di acciaio maggiore per gli elementi compressi rispetto a quelli

inflessi e di apportare a questi ultimi un intaglio nelle ali alle loro estremità (“Reduced Beam Section” RBS)

per ivi permettere la concentrazione delle deformazioni dovute all’evento sismico (cerniera plastica). Si evita

in questo modo il collasso globale della struttura ed una più immediata ed economica sostituzione degli

elementi strutturali in acciaio danneggiati.

Figura12: “Strong Column – Weak Beam Concept” combinato al “Reduced Beam Section”,

ovvero il concetto della colonna forte e trave debole combinato ad una sezione ridotta della

trave in prossimità del nodo trave-colonna per ivi concentrare le deformazioni plastiche

durante il terremoto.

Conclusioni

La recente ricerca sul processo di laminazione QST ha permesso di immettere sul mercato una gamma di

acciai ad alto limite di snervamento con elevate proprietà di duttilità e saldabilità. Questi acciai alto-

resistenziali sono stati recepiti dagli Eurocodici e dalle normative EN. Ciò consente oggi di poter adottare

metodologie di costruzione innovative nel settore dei ponti composti acciaio-calcestruzzo, delle travi

alveolari per solai e coperture, delle travi in spessore di solaio, dell’ingegneria del fuoco e di quella

antisismica.

E’ dunque auspicabile che il progettista prenda coscienza fin dalle prime fasi della progettazione di tutte le

proprietà caratterizzanti il prodotto siderurgico e di quale sia quello che più si adatta all’impiego previsto

nelle costruzioni non solamente in termini di resistenza. Questa in apparenza banale osservazione, spesso

permette di apportare forti economie all’iter di progettazione e realizzazione dell’opera. Infatti, benché

l’acciaio prodotto negli stabilimenti ArcelorMittal del Lussemburgo provenga interamente dall’uso di

materiale riciclato, l’ottimizzazione del peso strutturale a singolo progetto ha un riflesso diretto sulle risorse

energetiche primarie necessarie alla realizzazione dell’intera opera (processi di produzione, trasporto, messain opera, ecc.).


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Bibliografia

Nuova Norma Armonizzata EN10025:2004 parti 1÷6

Eurocode 3 “Design of Steel Structures”

Eurocode 4 “Design of Composite Steel and Concrete Structures”

ProfilArbed Luxembourg (2004) “Recent Developments in the use of Quenched and Self-Tempered Hot Rolled H-Beams”

B. Donnay, H. Grober (2005) “Niobium in high strenght weldable beams and other structurals” ProfilArbed, Luxembourg

H. Jacques, B.Donnay (2004) “TMCP Applications in Sections, Bars & Rails” ProfilArbed Research, Luxembourg

L. Weber (2001) “Poutrèlles et Innovations » ProfilArbed, Luxembourg

E.Blondelot (1995) “New Technology for Producing Long Products” ProfilArbed, Luxembourg

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